1、2022-3-4北京大学物理学院大气科学系 大气环境化学大气环境化学樊琦19951995年诺贝尔化学奖年诺贝尔化学奖The 1995 Nobel Prize in Chemistry for their work in atmospheric chemistry, particularly concerning the formation and decomposition of ozone.目前世界面临的最严重的环境问题目前世界面临的最严重的环境问题温室效应造成气候变暖温室效应造成气候变暖生物多样性减少生物多样性减少酸雨蔓延酸雨蔓延森林锐减森林锐减土地荒漠化土地荒漠化烟霾尘埃烟霾尘埃江河湖泊
2、地下水水体污染江河湖泊地下水水体污染海洋污染、赤潮海洋污染、赤潮固体废弃物污染固体废弃物污染光化学烟雾光化学烟雾平流层臭氧减少平流层臭氧减少简直糟透了简直糟透了? ?！国际科协国际科协理事会环理事会环境污染问境污染问题科学委题科学委员会的问员会的问卷调查卷调查50多个国家多个国家200名科名科学家关心学家关心的未来主的未来主要问题要问题Global Envionmental Outlook 2000 1 酸沉降酸沉降 2 大气气溶胶大气气溶胶 3 平流层臭氧损耗平流层臭氧损耗 对流层臭氧增加对流层臭氧增加 4 大气化学与气候变化大气化学与气候变化几个重要的大气环境化学课题几个重要的大气环境化学
3、课题干吗要学大气环境化学干吗要学大气环境化学 从化学的角度理解大气科学从化学的角度理解大气科学 识别重要的环境因素、加强环境意识识别重要的环境因素、加强环境意识 通过监测、试验弄清机理和规律通过监测、试验弄清机理和规律 预报变化，研究控制对策预报变化，研究控制对策 。第一章第一章 地球大气的组成和演化地球大气的组成和演化1.1 1.1 大气化学研究的对象和内容大气化学研究的对象和内容1.2 1.2 大气的结构和组成大气的结构和组成1.3 1.3 地球大气的演化地球大气的演化1.1 1.1 研究的对象和内容研究的对象和内容了解大气科学的历史是有用的了解大气科学的历史是有用的P. J. Crutz
4、en and V. Ramanathan The Ascent of Atmospheric SciencesScience, V290, N5490, pp. 299-304. issued on 13 Oct. 2000, 发展历史发展历史 18-19世纪，试图确定大气的主要化学组成。世纪，试图确定大气的主要化学组成。 上世纪初期，研究重点开始转移到痕量气体上来。上世纪初期，研究重点开始转移到痕量气体上来。 上世纪上世纪20年代开展了臭氧观测和平流层臭氧理论研究。年代开展了臭氧观测和平流层臭氧理论研究。 5060年代的局地大气污染：光化学烟雾，酸性雨等。年代的局地大气污染：光化学烟雾，酸性
5、雨等。 7080年代的区域大气化学研究。年代的区域大气化学研究。 80年代提出了全球变化问题。年代提出了全球变化问题。大气化学是大气科学最年轻的分支。大气化学是大气科学最年轻的分支。然而然而怎么看怎么看地球大气地球大气 和和大气化学？大气化学？ 地球大气是氧化性介质地球大气是氧化性介质 地球大气是一个多相化学体系地球大气是一个多相化学体系 气体、云雨、粒子气体、云雨、粒子 大气化学过程往往由光化学开始大气化学过程往往由光化学开始 自由基反应起关键作用自由基反应起关键作用 大气化学反应包括均相和非均相反应。大气化学反应包括均相和非均相反应。 大气化学反应往往是非平衡的大气化学反应往往是非平衡的
6、大气化学是交叉学科大气化学是交叉学科 大气化学研究包括各圈层间相互作用大气化学研究包括各圈层间相互作用 大气化学着重研究物种大气化学着重研究物种 在大气中的循环在大气中的循环地球系统环境圈层间的相互作用地球系统环境圈层间的相互作用水圈水圈大气圈大气圈岩石圈岩石圈生物圈生物圈全球气候系统与大气化学全球气候系统与大气化学大气中主要化学过程大气中主要化学过程云雨云雨霾霾光氧化物光氧化物气体粒子转化气体粒子转化CCN再悬浮再悬浮SO2、NOx、 VOC 、 NH3 、 CO2、CO、扬尘、扬尘、 Soot、粉尘、粉尘、CFCs酸沉降酸沉降区域气候区域气候能见度能见度光化污染光化污染臭氧耗损、臭氧洞臭氧
7、耗损、臭氧洞全球气候变化全球气候变化北京大学物理学院大气科学系 天气学，大气动力学，边界层物理学天气学，大气动力学，边界层物理学生态学生态学物理化学物理化学大气辐射学大气辐射学云雨物理化学云雨物理化学生物地球化学，微生物学生物地球化学，微生物学边界层物理学边界层物理学云雨物理化学云雨物理化学不同尺度的大气运动过程不同尺度的大气运动过程大气化学研究的趋势大气化学研究的趋势 主要成分主要成分 微量成分微量成分 痕量成分痕量成分 局地局地 区域区域 全球全球 从氧到臭氧。从氧到臭氧。从平流层到对流层从平流层到对流层大气化学研究方法大气化学研究方法 外场实验外场实验 集中外场强化观测、和长期监测集中外
8、场强化观测、和长期监测 实验室实验实验室实验 光化学烟雾箱，反应速率，排放因子光化学烟雾箱，反应速率，排放因子 风洞测扩散等风洞测扩散等 数值模拟数值模拟 拉格朗日、欧拉拉格朗日、欧拉 气象模式气象模式+空气质量模式空气质量模式+地面系统地面系统中国大气化学研究中国大气化学研究（1）观测站网的布置观测站网的布置v1958年科学院建立北京昆明臭氧柱体总量年科学院建立北京昆明臭氧柱体总量Dobson仪监测站，开始进行臭氧的观测。仪监测站，开始进行臭氧的观测。v70年代起，我国设环境保护机构，开始建立环境监测站网。年代起，我国设环境保护机构，开始建立环境监测站网。v80年代中，中国气象局开始建立全国
9、酸雨监测站网。年代中，中国气象局开始建立全国酸雨监测站网。v80年代气象局建立浙江临安、北京上甸子与黑龙江龙凤山区域大气环境背景站。年代气象局建立浙江临安、北京上甸子与黑龙江龙凤山区域大气环境背景站。v1994年年9月在月在WMO支持下气象部门在青藏高原建立瓦里关全球大气化学本底观象台支持下气象部门在青藏高原建立瓦里关全球大气化学本底观象台v香港在香港在90年代初，开始大气化学本底观测。中科院建生态网。年代初，开始大气化学本底观测。中科院建生态网。v本世纪初气象系统建沙尘监测网、大气背景监测网本世纪初气象系统建沙尘监测网、大气背景监测网中国大气化学研究中国大气化学研究（2 2）发展探测手段发展
10、探测手段v大气物理所大气物理所1966年起研制地基激光雷达探测大气气溶胶分布和污染扩散，年起研制地基激光雷达探测大气气溶胶分布和污染扩散，v北大地球物理系和中国科学院大气物理研究所在北大地球物理系和中国科学院大气物理研究所在80年代发展了太阳辐射计等，年代发展了太阳辐射计等， 用以遥感大气臭氧、气溶胶浓度以及用以遥感大气臭氧、气溶胶浓度以及NO2光解系数。光解系数。v南大大气科学系与紫金山天文台合作进行了毫米波遥感大气臭氧的探测试验。南大大气科学系与紫金山天文台合作进行了毫米波遥感大气臭氧的探测试验。v90年代利用激光雷达和天光偏振观测到年代利用激光雷达和天光偏振观测到El Chichon 和
11、和 Pinatubo 火山爆发的气火山爆发的气溶胶，并用以研究对气候的影响。溶胶，并用以研究对气候的影响。v安徽光机所于安徽光机所于90年代中期发展的年代中期发展的UV DIAL 激光雷达可检测激光雷达可检测1945km高度的臭高度的臭氧和气溶胶。氧和气溶胶。v气象局卫星中心研制气象局卫星中心研制MODIESMODIES卫星接收机、大气所自主研制臭氧探空仪卫星接收机、大气所自主研制臭氧探空仪中国大气化学研究中国大气化学研究（3）综合性研究计划综合性研究计划19941997年国家自然科学基金重大项目年国家自然科学基金重大项目“中国地区大气臭氧变化及其对环境生态影响中国地区大气臭氧变化及其对环境生
12、态影响”重大项目重大项目1998年国家自然科学基金重大项目年国家自然科学基金重大项目“长江三角洲大气物理化学过程及其对生态影响研究长江三角洲大气物理化学过程及其对生态影响研究”1998年与日本合作的青藏高原大气臭氧探测的国家自然科学基金课题年与日本合作的青藏高原大气臭氧探测的国家自然科学基金课题19851995年连续三次开展了年连续三次开展了“我国酸雨来源、影响及其对策我国酸雨来源、影响及其对策” 的科技攻关项目的科技攻关项目19911995年年 “全球气候变化预测全球气候变化预测” 科技攻关课题中设专题研究科技攻关课题中设专题研究“温室气体浓度和排放监测温室气体浓度和排放监测”1997国家自
13、然科学基金重点课题国家自然科学基金重点课题“中国地区气溶胶辐射特征中国地区气溶胶辐射特征”研究研究本世纪初国际合作沙尘暴研究、亚洲棕色云研究本世纪初国际合作沙尘暴研究、亚洲棕色云研究参考书目参考书目1，秦瑜、赵春生，秦瑜、赵春生, 大气化学基础大气化学基础（有电子版）（有电子版）2，唐孝炎，唐孝炎，大气环境化学大气环境化学，高教出版社，高教出版社3 3，王明星，王明星，大气化学大气化学，气象出版社，气象出版社4 4，J.Seinfeld and J.Pandis, 1999 J.Seinfeld and J.Pandis, 1999 Atmospheric Chemistry and Phys
14、ics, Weiley, Weiley5 5，D.Jacob, 1999D.Jacob, 1999（有电子版）（有电子版） Introduction to Atmospheric Chemistry, Precton, , Precton, 6, P.Hobbs, 20006, P.Hobbs, 2000 Introduction to Atmospheric Chemistry, Cambridge, Cambridge,7, G.Brasseur et al, 19997, G.Brasseur et al, 1999 Atmospheric chemistry and global ch
15、ange,Oxford,Oxford,认识大气层认识大气层天有多高？天有多高？1.2 1.2 大气的结构和组成大气的结构和组成大气垂直结构大气垂直结构各层大致高度各层大致高度对流层顶的高度对流层顶的高度全球平均温度分布全球平均温度分布大气状态方程和组分浓度大气状态方程和组分浓度 目的：描述某成分在大气中的量目的：描述某成分在大气中的量 变量：质量浓度，数浓度，摩尔浓度，混合比变量：质量浓度，数浓度，摩尔浓度，混合比 单位变换单位变换描述气体含量的方法描述气体含量的方法混合比混合比 (ppm, ppb, ppt)质量浓度质量浓度 (gm-3)摩尔浓度摩尔浓度 (molm-3)数浓度数浓度 (cm
16、-3)分压分压 (hPa、mPa)ppbv、 ppbm大气组成分类大气组成分类按浓度分类按浓度分类主要成分主要成分：浓度为百分之几，如：浓度为百分之几，如N2，O2，Ar。微量成分微量成分：浓度在：浓度在1ppmv到到1%，如，如CO2，H2O，CH4， He 等。等。痕量成分痕量成分：浓度在：浓度在1ppmv以下。以下。按生命时间分类按生命时间分类定常成分定常成分：寿命在：寿命在100年以上，如年以上，如N2，O2，和惰性气体。，和惰性气体。可变成分可变成分：寿命在几年：寿命在几年到十几年，如到十几年，如CO2，H2，CH4 等。等。快变成分快变成分：寿命在：寿命在1年以下。如年以下。如H2
17、O，.地球大气气体的组成地球大气气体的组成气气 体体平平均均浓浓度度ppm停停留留时时间间循循 环环N2780840106 年年生生物物或或微微生生物物循循环环O220946010 年年生生物物或或微微生生物物循循环环Ar9340Ne18Kr1.1无无循循环环,在在地地球球历历史史Xe0.09中中累累计计CH41.657 年年生生物物和和化化学学CO233215 年年人人为为和和生生物物CO0.050.265 天天人人为为和和化化学学H20.5810 年年生生物物和和化化学学N2O0.3310 年年生生物物和和化化学学 准准稳稳态态SO210-510-440 天天人人为为和和化化学学 或或平平
18、衡衡NH310-410-320 天天生生物物、化化学学、雨雨除除NO+NO210-610-21 天天人人为为、化化学学、闪闪电电O310-210-1?化化学学HNO310-510-31 天天化化学学、雨雨除除H2O变变化化10 天天物物理理化化学学He5.210 年年物物理理化化学学气体的时空尺度气体的时空尺度人类活动对大气组成的影响人类活动对大气组成的影响COCO2 2SOSO2 2人工固氮人工固氮CFCsCFCs生物体燃烧生物体燃烧O O3 3？主要的大气污染物主要的大气污染物 含硫化合（含硫化合（H2S，SO2，DMS，COS等）等） 含氮化合物（含氮化合物（NO，NO2，NH3，HNO
19、3等）等） 一氧化碳和二氧化碳（一氧化碳和二氧化碳（CO，CO2） 碳氢化合物，碳氢氧化合物（烃、醛、酮等）碳氢化合物，碳氢氧化合物（烃、醛、酮等） 光化学氧化剂（臭氧，光化学氧化剂（臭氧，H2O2，PAN等）等） 卤素化合物（卤素化合物（HF，HCl，氯氟化碳等），氯氟化碳等） 大气气溶胶大气气溶胶 放射性物质放射性物质对流层清洁大气和城市污染大气对流层清洁大气和城市污染大气微量成分浓度微量成分浓度( (浓度浓度ppb)ppb)物物种种清清洁洁对对流流层层污污染染大大气气SO211020200CO1201000-10000NO0.010.0550-750NO20.10.550-250O320
20、80100500HNO30.020.3350NH311025甲甲醛醛0.42050甲甲酸酸110HNO20.00118过过氧氧乙乙酰酰硝硝酸酸酯酯535非非甲甲烷烷烃烃5001200(转转引引自自Seinfeld 1986)3、现代大气：现代大气： 以氮气和氧气为主。以氮气和氧气为主。地球大气的演化大体可分为三个阶段：地球大气的演化大体可分为三个阶段： 1、原始大气：原始大气： 以宇宙中最丰富的轻物质以宇宙中最丰富的轻物质 H2、He和和CO为主。为主。2、次生大气（次生大气（4520亿年前）：亿年前）： 地球逐渐冷却以后地球逐渐冷却以后, 由于造山运动、火山喷发由于造山运动、火山喷发 和从地
21、幔中释放出地壳内原来吸附的气体和从地幔中释放出地壳内原来吸附的气体, 形形 成了次生大气成了次生大气, 其主要成分是其主要成分是CO2、CH4、NH3 和和H2O等。等。1.3 1.3 地球地球大气的演化大气的演化地球的次生大气和水圈生成地球的次生大气和水圈生成原始大气原始大气次生大气次生大气水圈水圈46亿年前，亿年前，H2，O2，CH4，H2S火山爆发和固体吸附。主要成份是火山爆发和固体吸附。主要成份是CO2、 CH4、NH 3和水汽。和水汽。CO2至至30亿年前大亿年前大约是现在大气的约是现在大气的10倍。强温室效应使地倍。强温室效应使地表平均温度可达表平均温度可达300左右。左右。随着随
22、着二氧化碳浓度下降二氧化碳浓度下降，大气温度也下降。，大气温度也下降。水汽可以凝成液体水，出现云、雨，水汽可以凝成液体水，出现云、雨，并在地球表面积聚，演变成水圈。并在地球表面积聚，演变成水圈。生物圈生物圈大气中氧的产生和生物圈的形成大气中氧的产生和生物圈的形成现在大气与类地行星大气的区别现在大气与类地行星大气的区别O O2 2生命生命O O3 3UVBUVB现在大气的形成是在和生物圈相互作用中形成的：现在大气的形成是在和生物圈相互作用中形成的：光合作用光合作用生物圈形成生物圈形成碳循环：为什么重要？碳循环：为什么重要？1、大气的组成；温室气体、大气的组成；温室气体2、生物体的基本组成、生物体
23、的基本组成3、生物的呼吸是氧和碳循环、生物的呼吸是氧和碳循环4、有机物的燃烧和腐败释放碳氧、有机物的燃烧和腐败释放碳氧5、影响海洋、影响海洋pH光合作用使无机碳变为有机碳光合作用使无机碳变为有机碳COCO2 2 + H + H2 20 CH0 CH2 2O + OO + O2 2营养素营养素(NO(NO3 3- -, NH, NH4 4+ +, PO, PO4 4-3-3, H, H4 4SiOSiO4 4, Fe, Fe）参与此反应，形成各种有机物参与此反应，形成各种有机物营养素营养素 + 106 CO+ 106 CO2 2 + 170 H + 170 H2 2O = (CHO = (CH2
24、 2O)106(NHO)106(NH3 3)16(PO)16(PO4 4) + 138 O) + 138 O2 2 呼吸呼吸光合作用光合作用根据目前世界燃料的消耗量计算根据目前世界燃料的消耗量计算 人类一年燃烧的碳量人类一年燃烧的碳量相当于相当于植物光合作用植物光合作用10001000年生成的总量年生成的总量人类活动与大气圈的演化人类活动与大气圈的演化大气科学几乎涉及科学的各个领域大气科学几乎涉及科学的各个领域人和自然的协调发展人和自然的协调发展 宿命论：宿命论： 以消极适应自然为特征，只强调人的受动性以消极适应自然为特征，只强调人的受动性 征服论：征服论： 以无节制地开发自然为特征，只强调人
25、的能动性以无节制地开发自然为特征，只强调人的能动性 和谐论：和谐论： 以人与自然协调发展为特征，强调人的受动性与以人与自然协调发展为特征，强调人的受动性与 能动性的统一。能动性的统一。 第一章第一章 小结小结1，大气化学是大气科学的分支，近年来得到迅速发展，大气化学是大气科学的分支，近年来得到迅速发展, 是是与多种学科密切联系的交叉学科；它研究大气的组成与多种学科密切联系的交叉学科；它研究大气的组成及影响其组成变化的过程。及影响其组成变化的过程。2，随人口的急剧增加、经济高速发展、工业化、城市化、，随人口的急剧增加、经济高速发展、工业化、城市化、能源和各种资源大量消耗、土地利用的急剧变化所导能
26、源和各种资源大量消耗、土地利用的急剧变化所导致的局地、区域和全球的环境、生态和气候的变化提致的局地、区域和全球的环境、生态和气候的变化提出和推动了此学科的快速发展；经济发展、现代科技出和推动了此学科的快速发展；经济发展、现代科技进步为学科发展提供了条件。进步为学科发展提供了条件。3，大气化学不仅研究发生在大气中的化学转化过程、要，大气化学不仅研究发生在大气中的化学转化过程、要研究自源发射、输送、转化、沉降乃至对受体的影响的循研究自源发射、输送、转化、沉降乃至对受体的影响的循环过程；大气圈层是地球环境圈层的一部分，大气化学不环过程；大气圈层是地球环境圈层的一部分，大气化学不仅研究发生在大气圈中的
27、物理、化学过程还要研究气圈与仅研究发生在大气圈中的物理、化学过程还要研究气圈与生物圈、水圈、地圈的相互作用。生物圈、水圈、地圈的相互作用。4，氧、氮构成地球大气的主要成分、大气还包含了惰性，氧、氮构成地球大气的主要成分、大气还包含了惰性气体和气体和H2O、CO2、O3、CH4、CO以及其他的各种微量以及其他的各种微量气体组分、自由基和悬浮的液态、固态的粒子。大气是多气体组分、自由基和悬浮的液态、固态的粒子。大气是多相化学体系；大气的强氧化性是其重要的特征，许多微量相化学体系；大气的强氧化性是其重要的特征，许多微量组分活跃的参与大气化学变化。组分活跃的参与大气化学变化。5，气体状态方程是描述大气
28、物性的基本方程之一。大气，气体状态方程是描述大气物性的基本方程之一。大气组分浓度可用单位体积大气中含物种的质量、摩尔数或分组分浓度可用单位体积大气中含物种的质量、摩尔数或分子个数表示，也可用混合比表示。子个数表示，也可用混合比表示。6，大气组分在大气中滞留的时间表征该组分参与大气化，大气组分在大气中滞留的时间表征该组分参与大气化学循环过程的活跃程度，称为物种的生命时间。学循环过程的活跃程度，称为物种的生命时间。7，现代大气是在漫长的地球演化过程中，由次生大气演，现代大气是在漫长的地球演化过程中，由次生大气演化而来；水圈出现、生命产生和演化对形成现代大气起关化而来；水圈出现、生命产生和演化对形成现代大气起关键的作用，是各圈层相互作用的结果。现代人类活动急剧键的作用，是各圈层相互作用的结果。现代人类活动急剧改变了各圈层的状态，可以危及到在长期演化过程人类已改变了各圈层的状态，可以危及到在长期演化过程人类已适应了的生存环境。适应了的生存环境。
